JP6340764B2 - 歯車加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工用工具および工作物を高速で同期回転させて切削加工により歯車を加工する歯車加工装置に関する。

マシニングセンタ等の工作機械を用いて切削加工により歯車を加工する場合、内歯および外歯を加工する有効な手法として、例えば、特許文献１に記載の加工方法がある。この加工方法は、回転軸線回りに回転可能な加工用工具、例えば複数枚の工具刃を有するカッターと、加工用工具の回転軸線に対して所定の角度で傾斜した回転軸線回りに回転可能な工作物とを高速で同期回転させ、加工用工具を工作物の回転軸線方向に送って切削加工することにより歯を創成する加工方法である。

しかし、この加工方法では、複数枚の工具刃が工作物に同時に接触するため、切削抵抗が大きくなる傾向にある。よって、切削加工時に自励振動が発生し易く、歯車の歯すじ精度（歯すじのうねり）を悪化させるおそれがある。加工用工具の工具径を小さくすれば工具刃の工作物に対する接触枚数は少なくなるが、加工用工具の工具剛性が低下するおそれがある。

そこで、特許文献２には、加工用工具を工作物に対し変化する送り速度で歯の表面に沿った送り経路方向に移動する加工方法が記載されている。この加工方法によれば、加工の微細な掻き傷の間隔が歯の表面に沿って不規則になるので、噛み合い雑音、すなわち自励振動を低減することができる。

特開２０１２−５１０４９号公報 特開２００５−３３５０６１号公報

上述の特許文献２に記載の加工方法では、加工用工具の送り速度を工作物に対し変化させる必要があるため、送り制御が複雑になり、歯車の歯形形状の高精度化が困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加工用工具および工作物を高速で同期回転させて切削加工により高精度な歯車を加工することができる歯車加工装置を提供することを目的とする。

（請求項１）本発明の歯車加工装置は、工作物の回転軸線に対し傾斜した回転軸線を有する加工用工具を用い、前記加工用工具を前記工作物と同期回転させながら前記工作物の回転軸線方向に送り操作して歯車を加工する歯車加工装置であって、前記歯車の歯の間隔と同一の間隔を有する仮の工具刃の数および前記歯車の歯の数の最大公約数は、１より大きい整数とし、前記仮の工具刃の間隔を前記歯車の歯の間隔の２以上の整数倍となるように、前記仮の工具刃を間引きして、前記仮の工具刃の数、実際に切削加工する工具刃のピッチ、前記歯車の歯の数、前記歯車の歯のピッチ、前記歯車の歯の数の約数に基づいて、前記実際に切削加工する工具刃とする。

同一の工具刃が同一の歯みぞを切削加工することができれば、工具刃の精度ばらつきが、歯車の歯すじ精度（歯すじのうねり）に影響を及ぼさない。仮に、最大公約数が１であると、一の歯を切削加工した一の工具刃が再び一の歯を切削加工するまでの加工用工具の回転数は、加工用工具の全周の工具刃の数および歯車の全周の歯の数の積算値となり、非常に大きな値になって歯車の歯すじ精度（歯すじのうねり）の向上が困難になる。最大公約数が１より大きい整数にすることで、歯車の歯すじのうねりを低減することができる。そして、歯車加工装置における切削加工時において、工作物に同時に接触する加工用工具の工具刃の数を削減することができるので、切削抵抗を低減して切削加工時の自励振動の発生を抑え、歯車の歯すじ精度（歯すじのうねり）を向上させることができる。

（請求項２）前記加工用工具の工具刃の間隔は、等間隔であるとよい。これにより、切削加工するときの工具刃の負荷を安定化させることができる。

（請求項３）前記歯車の歯の間隔と同一の間隔を有する仮の工具刃の数および前記歯車の歯の数の最小公倍数を前記工具刃の数で除算した値は、１より大きい整数とし、前記仮の工具刃の間隔を前記歯車の歯の間隔の２以上の整数倍となるように、前記仮の工具刃を間引きして実際に切削加工する工具刃とするとよい。

この除算値は、一の歯を切削加工した一の工具刃が再び一の歯を切削加工するまでの加工用工具の回転数を表している。よって、除算値が１であると工具刃の数と歯の数とが同一となり、内歯加工の場合に成立しなくなるので、除算値を１より大きい整数とすることにより、内歯加工を成立させることが可能となる。

（請求項４）前記除算値は、１０以下の整数であるとよい。除算値を小さくすることにより歯車の歯すじ精度（歯すじのうねり）を向上させることができる。
（請求項５）前記加工用工具の工具刃の間隔は、不等間隔であるとよい。これにより、切削抵抗が周期的に変化せず不規則に変化することになるので、切削加工時に自励振動が発生し難く、歯車の歯すじ精度（歯すじのうねり）を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る歯車加工装置の全体構成を示す斜視図である。 図１の歯車加工装置の概略構成および制御装置を示す図である。 歯車の歯形形状の誤差である歯すじ誤差を説明するための図である。 通常使用される加工用工具の概略を示す図である。 本実施形態の歯車加工装置で使用される加工用工具の概略を示す図である。 図５の加工用工具の工具刃のピッチを説明するための図である。 本実施形態の歯車加工装置で使用される別形態の加工用工具を示す図である。

（１．歯車加工装置の機械構成）
歯車加工装置１の一例として、５軸マシニングセンタを例に挙げ、図１および図２を参照して説明する。つまり、当該歯車加工装置１は駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）および２つの回転軸（Ａ軸、Ｃ軸）を有する装置である。

図１および図２に示すように、歯車加工装置１は、ベッド１０と、コラム２０と、サドル３０と、回転主軸４０と、テーブル５０と、チルトテーブル６０と、ターンテーブル７０と、制御装置１００等とから構成される。なお、図示省略するが、ベッド１０と並んで既知の自動工具交換装置が設けられている。

ベッド１０は、ほぼ矩形状からなり、床上に配置される。ただし、ベッド１０の形状は矩形状に限定されるものではない。このベッド１０の上面には、コラム２０が摺動可能な一対のＸ軸ガイドレール１１ａ，１１ｂが、Ｘ軸方向（水平方向）に延びるように、且つ、相互に平行に形成されている。さらに、ベッド１０には、一対のＸ軸ガイドレール１１ａ，１１ｂの間に、コラム２０をＸ軸方向に駆動するための、図略のＸ軸ボールねじが配置され、このＸ軸ボールねじを回転駆動するＸ軸モータ１１ｃが配置されている。

コラム２０の底面には、一対のＸ軸ガイド溝２１ａ，２１ｂがＸ軸方向に延びるように、且つ、相互に平行に形成されている。コラム２０は、ベッド１０に対してＸ軸方向に移動可能なように、一対のＸ軸ガイド溝２１ａ，２１ｂが一対のＸ軸ガイドレール１１ａ，１１ｂ上にボールガイド２２ａ，２２ｂを介して嵌め込まれ、コラム２０の底面がベッド１０の上面に密接されている。

さらに、コラム２０のＸ軸に平行な側面（摺動面）２０ａには、サドル３０が摺動可能な一対のＹ軸ガイドレール２３ａ，２３ｂがＹ軸方向（鉛直方向）に延びるように、且つ、相互に平行に形成されている。さらに、コラム２０には、一対のＹ軸ガイドレール２３ａ，２３ｂの間に、サドル３０をＹ軸方向に駆動するための、図略のＹ軸ボールねじが配置され、このＹ軸ボールねじを回転駆動するＹ軸モータ２３ｃが配置されている。

コラム２０の摺動面２０ａに対向するサドル３０の側面３０ａには、一対のＹ軸ガイド溝３１ａ，３１ｂがＹ軸方向に延びるように、且つ、相互に平行に形成されている。サドル３０は、コラム２０に対してＹ軸方向に移動可能なように、一対のＹ軸ガイド溝３１ａ，３１ｂが一対のＹ軸ガイドレール２３ａ，２３ｂに嵌め込まれ、サドル３０の側面３０ａがコラム２０の摺動面２０ａに密接されている。

回転主軸４０は、サドル３０内に収容された主軸モータ４１により回転可能に設けられ、加工用工具４２を支持している。加工用工具４２は、工具ホルダ４３に保持されて回転主軸４０の先端に固定され、回転主軸４０の回転に伴って回転する。また、加工用工具４２は、コラム２０およびサドル３０の移動に伴ってベッド１０に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に移動する。なお、加工用工具４２としては、本実施形態では複数の工具刃を有するホブがある。

さらに、ベッド１０の上面には、テーブル５０が摺動可能な一対のＺ軸ガイドレール１２ａ，１２ｂがＸ軸方向と直交するＺ軸方向（水平方向）に延びるように、且つ、相互に平行に形成されている。さらに、ベッド１０には、一対のＺ軸ガイドレール１２ａ，１２ｂの間に、テーブル５０をＺ軸方向に駆動するための、図略のＺ軸ボールねじが配置され、このＺ軸ボールねじを回転駆動するＺ軸モータ１２ｃが配置されている。

テーブル５０は、ベッド１０に対してＺ軸方向に移動可能なように、一対のＺ軸ガイドレール１２ａ，１２ｂ上に設けられている。テーブル５０の上面には、チルトテーブル６０を支持するチルトテーブル支持部６３が設けられている。そして、チルトテーブル支持部６３には、チルトテーブル６０が水平方向のＡ軸回りで回転（揺動）可能に設けられている。チルトテーブル６０は、テーブル５０内に収容されたＡ軸モータ６１により回転（揺動）される。

チルトテーブル６０には、ターンテーブル７０がＡ軸に直角なＣ軸回りで回転可能に設けられている。ターンテーブル７０には、工作物Ｗがチャッキングされる。ターンテーブル７０は、工作物ＷとともにＣ軸モータ６２により回転される。

制御装置１００は、主軸モータ４１を制御して、工具４２を回転させ、Ｘ軸モータ１１ｃ、Ｚ軸モータ１２ｃ、Ｙ軸モータ２３ｃ、Ａ軸モータ６１およびＣ軸モータ６２を制御して、工作物Ｗと加工用工具４２とをＸ軸方向、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向、Ａ軸回りおよびＣ軸回りに相対移動することにより、工作物Ｗの切削加工を行う。

（２．加工用工具の工具刃）
上述の歯車加工装置１では、加工用工具４２と工作物Ｗとを高速で同期回転させ、加工用工具４２を工作物Ｗの回転軸線方向に送って切削加工することにより歯を創成する。この切削加工時においては、通常使用される加工用工具４２Ａ（図４参照、詳細は後述する）では、複数枚（例えば、５〜１０枚）の工具刃４２１Ａ（本発明の「仮の工具刃」に相当する）が工作物Ｗに同時に接触するため、切削抵抗が大きくなる傾向にある。よって、切削加工時に自励振動が発生し易く、歯車の歯すじ精度（歯すじのうねり）、すなわち図３に示すように、歯車Ｇの歯ｇの周方向ｄ１の側面ｓにおける軸線方向ｄ２の表面粗さの平均値（歯すじ誤差）を悪化させるおそれがある。

そこで、本実施形態の歯車加工装置１における切削加工時においては、通常使用される加工用工具４２Ａの工具刃４２１Ａを間引きした加工用工具４２Ｂ（図５参照、詳細は後述する）を用いる。すなわち、加工用工具４２Ｂの工具刃４２１Ｂ（本発明の「実際に切削加工する工具刃」に相当する）のピッチ（間隔）Ｐｂは、創成される歯車Ｇの歯ｇのピッチ（間隔）Ｐの２以上の整数倍となる加工用工具４２Ｂを用いる。ここで、ピッチＰｂ，Ｐとは、基準線（基準円）Ｂｔ、Ｂｇ上での隣合う工具刃４２１Ｂ間又は歯ｇ間の距離のことである。

具体的には、図４に示すように、通常使用される加工用工具４２Ａは、工具刃４２１ＡのピッチＰａ、すなわち基準線（基準円）Ｂｔ上での隣の工具刃４２１Ａまでの距離を、創成される歯車Ｇの歯ｇのピッチＰ、すなわち基準線（基準円）Ｂｇ上での隣の歯ｇまでの距離と同一（Ｐａ＝Ｐ）となるように作製されている。そして、加工用工具４２Ａは、工具刃４２１ＡのピッチＰａを全周にわたって等間隔となるように作製されている。

しかし、図５に示すように、本実施形態の歯車加工装置１で使用される加工用工具４２Ｂは、工具刃４２１ＢのピッチＰｂ、すなわち基準線（基準円）Ｂｔ上での隣の工具刃４２１Ｂまでの距離を、歯車Ｇの歯ｇのピッチＰの２以上の整数倍（本例では、Ｐｂ＝３Ｐ）となるように作製されている。このような加工用工具４２Ｂを歯車加工装置１における切削加工時に使用することにより、工作物Ｗに同時に接触する加工用工具４２Ｂの工具刃４２１Ｂの数を削減（例えば、１〜３枚）することができるので、切削抵抗を低減して切削加工時の自励振動の発生を抑え、歯車Ｇの歯すじ精度（歯すじのうねり）を向上させることができる。

そして、加工用工具４２Ｂは、工具刃４２１ＢのピッチＰｂを全周にわたって等間隔となるように作製されている。これにより、切削加工するときの工具刃４２１Ｂの負荷を安定化させることができる。

次に、通常使用される加工用工具４２Ａの全周の工具刃４２１Ａの数の設定方法について説明する。ここで、歯車Ｇの全周の歯ｇの数Ｎｇは既に設定されているとする。加工用工具４２Ａの全周の工具刃４２１Ａの数Ｎｔおよび歯車Ｇの全周の歯ｇの数Ｎｇの最大公約数が、１より大きい整数となるように工具刃４２１Ａの数Ｎｔを設定する。同一の工具刃４２１Ａが同一の歯みぞを切削加工することができれば、工具刃４２１Ａの精度ばらつきが、歯車Ｇの歯すじ精度（歯すじのうねり）に影響を及ぼさない。

仮に、最大公約数が１であると、一の歯ｇを切削加工した一の工具刃４２１Ａが再び一の歯ｇを切削加工するまでの加工用工具４２Ａの回転数は、加工用工具４２Ａの全周の工具刃４２１Ａの数Ｎｔおよび歯車Ｇの全周の歯ｇの数Ｎｇの積算値（Ｎｔ・Ｎｇ）となり、非常に大きな値になって歯車Ｇの歯すじ精度（歯すじのうねり）の向上が困難になる。最大公約数が１より大きい整数にすることで、歯車Ｇの歯すじのうねりを低減することができる。

さらに、工具刃４２１Ａの数Ｎｔおよび歯ｇの数Ｎｇの最小公倍数を工具刃４２１Ａの数Ｎｔで除算した値が、１より大きい整数であって１０以下の整数となるように工具刃４２１Ａの数Ｎｔを設定する。この除算値は、一の歯ｇを切削加工した一の工具刃４２１Ａが再び一の歯ｇを切削加工するまでの加工用工具４２Ａの回転数を表している。

よって、除算値が１であると工具刃４２１Ａの数Ｎｔと歯ｇの数Ｎｇとが同一となり、内歯加工の場合に成立しなくなるので、除算値を１より大きい整数とすることにより、内歯加工を成立させることが可能となる。また、除算値を１０以下の整数とすることにより、歯車Ｇの歯すじ精度（歯すじのうねり）を向上させることができる。この場合、加工用工具４２Ｂの工具刃４２１Ｂの数はＮｔ・Ｐ／Ｐｂとなる。

具体的には、図６に示すように、工具刃４２１ＢのピッチＰｂを歯ｇのピッチＰの「３倍」とする場合、切削加工がされない歯ｇの発生を防止するため歯ｇの数Ｎｇは「３」で割り切れない値とし、工具刃４２１Ａの数Ｎｔは「３」で割り切れる値とする必要がある。

例えば、歯ｇの数Ｎｇを「１００」に設定し、工具刃４２１Ａの数Ｎｔを「６０」に設定した場合、工具刃４２１Ａの数「６０」および歯ｇの数「１００」の最小公倍数は「３００」となり、この最小公倍数「３００」を工具刃４２１Ａの数「６０」で除算した値は「５」となり、１より大きい整数であって１０以下の整数となる。この場合、加工用工具４２Ｂの工具刃４２１Ｂの数は「２０」となる。

また、歯ｇの数Ｎｇを「１００」に設定し、工具刃４２１Ａの数Ｎｔを「７５」に設定した場合、工具刃４２１Ａの数「７５」および歯ｇの数「１００」の最小公倍数は「３００」となり、この最小公倍数「３００」を工具刃４２１Ａの数「７５」で除算した値は「４」となり、１より大きい整数であって１０以下の整数となる。この場合、加工用工具４２Ｂの工具刃４２１Ｂの数は「２５」となる。

また、歯ｇの数Ｎｇを「１００」に設定し、工具刃４２１Ａの数Ｎｔを「１５０」に設定した場合、工具刃４２１Ａの数「１５０」および歯ｇの数「１００」の最小公倍数は「３００」となり、この最小公倍数「３００」を工具刃４２１Ａの数「１５０」で除算した値は「２」となり、１より大きい整数であって１０以下の整数となる。この場合、加工用工具４２Ｂの工具刃４２１Ｂの数は「５０」となり、歯車Ｇの径よりも大きくなるため外歯の歯車Ｇのみの加工用工具４２Ｂとなる。

一方、歯ｇの数Ｎｇを「１００」に設定し、工具刃４２１Ａの数Ｎｔを「４５」に設定した場合、工具刃４２１Ａの数「４５」および歯ｇの数「１００」の最小公倍数は「９００」となり、この最小公倍数「９００」を工具刃４２１Ａの数「４５」で除算した値は「２０」となり、１０を超えた整数となるので、工具刃４２１Ａの数「４５」では歯車Ｇの歯すじ精度（歯すじのうねり）の向上は小さくなる。

以上より、工具刃４２１Ａの数Ｎｔは「６０」、「７５」、「１５０」と設定されることになる。工具刃４２１Ａの数Ｎｔが「６０」のときは、加工用工具４２Ｂは、５回転する毎に、一の歯ｇを切削加工した一の工具刃４２１Ｂが再び一の歯ｇを切削加工する。また、工具刃４２１Ａの数Ｎｔが「７５」のときは、加工用工具４２Ｂは、４回転する毎に、一の歯ｇを切削加工した一の工具刃４２１Ｂが再び一の歯ｇを切削加工する。また、工具刃４２１Ａの数Ｎｔが「１５０」のときは、加工用工具４２Ｂは、２回転する毎に、一の歯ｇを切削加工した一の工具刃４２１Ｂが再び一の歯ｇを切削加工する。
以上の結果から、次式（１）が成立する。

ここで、Ｎｔ：工具刃４２１Ａの数、Ｎｇ：歯ｇの数、
ｓ：工具刃４２１ＢのピッチＰｂ／歯ｇのピッチＰ、ｔ：歯ｇの数の約数

そして、加工用工具４２Ｂの剛性を確保するため、工具長Ｌ（回転主軸４０の先端面から加工用工具４２Ｂの先端面までの距離）を工具径ｄで除した値（Ｌ／ｄ）が「１」程度となるように設定する。なお、工具径ｄは、一般的なモジュールおよび工具刃４２１Ｂの数の関係から求めることができる。そして、式（１）に所定の数を代入することで、工具刃４２１Ａの数Ｎｔを求め、さらに工具刃４２１Ｂの数Ｎｔ・Ｐ／Ｐｂを求めて最終的な加工用工具４２Ｂを作製する。

（３．加工用工具の工具刃の別形態）
上述の実施形態では、加工用工具４２Ｂの工具刃４２１ＢのピッチＰｂを全周にわたって等間隔となるように作製したが、図７に示すように、加工用工具４２Ｃの工具刃４２１ＣのピッチＰｃ，Ｐｄを全周にわたって不等間隔となるように作製してもよい。

例えば、歯車Ｇの歯ｇのピッチＰの２倍（Ｐｃ＝２Ｐ）および３倍（Ｐｄ＝３Ｐ）を繰り返すように作製してもよい。これにより、切削抵抗が周期的に変化せず不規則に変化することになるので、切削加工時に自励振動が発生し難く、歯車Ｇの歯すじ精度（歯すじのうねり）を向上させることができる。なお、不等間隔となる工具刃４２１Ｃのピッチは、歯車Ｇの歯ｇのピッチＰの２倍（Ｐｃ＝２Ｐ）および３倍（Ｐｄ＝３Ｐ）の繰り返しに限定されるものではなく、任意の倍数の組み合わせでよい。

（４．その他）
なお、上述した実施形態では、５軸マシニングセンタである歯車加工装置１は、工作物ＷをＡ軸旋回可能とするものとした。これに対して、５軸マシニングセンタは、縦形マシニングセンタとして、工具４２をＡ軸旋回可能とする構成としてもよい。また、本発明をマシニングセンタに適用する場合を説明したが、歯車加工の専用機に対しても同様に適用可能である。また、外歯歯車の加工について説明したが、内歯歯車の加工に対しても同様に適用可能である。

１：歯車加工装置、 ４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ：加工用工具、 ４２１Ａ，４２１Ｂ，４２１Ｃ：工具刃、 Ｇ：歯車、 ｇ：歯、 Ｐ，Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ：ピッチ、 Ｎｔ：工具刃数、 Ｎｇ：歯数 Ｗ：工作物

Claims (5)

1. 工作物の回転軸線に対し傾斜した回転軸線を有する加工用工具を用い、前記加工用工具を前記工作物と同期回転させながら前記工作物の回転軸線方向に送り操作して歯車を加工する歯車加工装置であって、
   前記歯車の歯の間隔と同一の間隔を有する仮の工具刃の数および前記歯車の歯の数の最大公約数は、１より大きい整数とし、前記仮の工具刃の間隔を前記歯車の歯の間隔の２以上の整数倍となるように、前記仮の工具刃を間引きして、前記仮の工具刃の数、実際に切削加工する工具刃のピッチ、前記歯車の歯の数、前記歯車の歯のピッチ、前記歯車の歯の数の約数に基づいて、前記実際に切削加工する工具刃とする、歯車加工装置。
2. 前記加工用工具の工具刃の間隔は、等間隔である、請求項１の歯車加工装置。
3. 前記歯車の歯の間隔と同一の間隔を有する仮の工具刃の数および前記歯車の歯の数の最小公倍数を前記工具刃の数で除算した値は、１より大きい整数とし、前記仮の工具刃の間隔を前記歯車の歯の間隔の２以上の整数倍となるように、前記仮の工具刃を間引きして実際に切削加工する工具刃とする請求項１又は２の歯車加工装置。
4. 前記除算値は、１０以下の整数である、請求項３の歯車加工装置。
5. 前記加工用工具の工具刃の間隔は、不等間隔である、請求項１の歯車加工装置。

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